原子层沉积技术在电池能源领域的应用及展望

瞿诗瑜

（陕西广播电视大学，陕西 西安 710076）

社会经济的进步发展对于能源方面所表现出的需求愈发增长。与此同时，如何在能源方面实现更加理想的环境保护也成为当前阶段全世界的重要议题[1]。由于风能、潮汐能、太阳能等新型能源具有储量大、成本低等优势，得到了业界极高重视并广泛应用，然而其功能的发挥会受到一系列自然因素的影响，如天气、时间、地理位置等[2]。由此可见，依托二次能源技术开展能量储存和转换是十分必要的，对于能源供应的稳定性有着积极的促进作用。

近年来，锂硫电池等二次能源技术受到了广泛关注，与传统能源存储和转换装置进行比较而言，此类装置的便携性和清洁性更高，同时由于其能量密度更高，在能量转换效率上的表现效果更加理想，实际使用寿命和应用安全性也更具优势[3]。在能源存储和转换上会涉及到电极和电解质材料这一重要组成部分，而ALD技术能够为材料制备及改性提供有效支持，下文将对ALD技术与锂硫电池的结合应用做出分析。

1 ALD技术的原理

ALD的技术原理主要是依托脉冲控制以交替的形式让气相前驱体进入到反应腔室，当气象前驱体与基体表面产生单层化学吸附后，反应会在吸附饱和后以自动形式结束，这便是自限制性特征，接着发挥惰性载气的功能完成对腔室的清洗，进而获取到单分子薄膜，这便是ALD技术的一个循环周期反应[4]。薄膜整体厚度的控制可以通过对ALD反应周期数的改变来实现，周期数与控制的精准程度存在密切关联。

对于ALD循环而言，其存在相应的循环反应周期：首先，基底表面-OH与第1种前驱体三甲基铝的化学吸附反应，新的-OH基团在此条件下产生[5]；其次，在惰性气体的支持下将腔室中前驱体残余以及副产物CH4予以清除；接着，新-OH基团与第2种前驱体水的化学吸附反应，生成新-OH；最后，重复腔室清除处理。

2 ALD技术在锂硫电池电极材料方面的应用

首先，对于锂硫电池中的反应来说，其中最为主要的便是单质硫与金属锂发生的反应。由于存在穿梭效应，电池循环性能会受到不同程度的影响，因此，为了更好把控穿梭效应，针对硫与电解液做出组合，以金属氧化物阻隔层的形式达到提升循环性能的效果[6]。通过传统湿法化学方式所做出的阻隔通常无法确保实际效果的均一性和致密性。在ALD技术的支持下便可以在材料表面构筑起致密薄膜，既可以对材料在电解液中的溶解和流失做出有效把控，还可以通过对沉积薄膜厚度的控制实现薄膜的平衡性，最大限度上不对材料导电性产生不利影响。

其次，正极材料与锂硫电池性能存在密切联系，有关锂硫电池的正极材料问题是当前阶段的重点议题，本文也针对正极材料问题展开分析：

通常而言，质量分数为30%～60%的低硫负载量会对电池的总容量产生影响；然而一旦硫负载超出70%，那么电池循环稳定性便无法得到充分保障，稳定性便会随着负载过高而出现降低的情况。因此，在相关工作中要针对高硫负载以及正极材料稳定性予以重视，除了可以应用当前阶段广为熟知的石墨烯以外，对单质硫载体材料类型做出拓展。例如，树木为了维持自身的新陈代谢，需要通过自身所存在的孔道来实现对水、离子和小分子等营养物质的传输，此类孔隙对于硫的存储能够发挥重要功能。天然碳纤维受到高温碳化处理的影响会表现出更加优质的导电性能，多孔结构的保留完整性也较为理想。然而受到此类天然孔道过于宽大的影响，对多硫化物的控制效果不理想。这种条件下可依托ALD技术让5 nm厚的Al2O3沉积于天然碳纤维上，既能够实现对碳纤维放入孔径的有效控制，同时能够对多硫化物的穿梭做出限制和把控，经过试验得出，其储硫能力高达70%左右，表现出较为理想的技术应用效果。

最后，利用ALD技术对锂硫电池正极材料做出表面改性，可以实现对硫化物与电解液接触的有效把控，以此避免在此影响下硫产生不必要的溶解流失情况，进而确保硫的实际利用率能够满足预期要求。

3 总结和展望

通过上文就ALD技术在锂硫电池中的应用分析可以明显看出，在新型能源材料的制备及合成改性上ALD拥有良好表现，能给为锂硫电池正极材料优化设计提供重要支持。与传统的材料合成方法进行比较而言，ALD技术在实际应用中表现出较大优势：首先，ALD技术可以针对不同类型材料实现表面改性，表现出更加理想的适应性。目前，在ALD反应前驱体的不断研究、开发的应用的支持下，ALD技术在合成上所适用的材料类型也愈发拓展；其次，实践应用ALD技术能够实现对反应产物生成量更加准确的把控，可以根据具体需求对材料进行设计及合成，使合成材料的结构及实际性能能够充分满足预期需求；再次，与其他薄膜制备技术进行比较而言，依托ALD技术所完成的薄膜制备，拥有更加理想的细致、均一和精密性，同时在保形性上也表现出更好的应用优势。

新一代能源材料的合成及制备对于自身结构和性能提出了更高要求，而ALD技术恰恰能够为此项工作提供良好的技术支持。虽然近年来学术界针对ALD技术与能源材料的技术结合应用开展了广泛研究，然而从实际情况上不难看出依旧存在较大提升空间。在金属氧化物、金属氮化物等类型材料的制备中ALD技术可以充分发挥其优势，然而ALD技术与金属单质、非金属单质等材料制备的结合应用上会受到诸多要素的影响，进而受到技术应用限制。此外，在沉积速率上与PVD等方法进行比较而言，ALD技术无法取得较为理想成效，这便导致此项技术方法在纳米级以上的材料制备中应用较少；ALD反应过程中由于受到前驱体气体和副产物残留的影响，会导致成膜质量无法得到有效保障。因此，要对此类ALD技术应用中存在的问题予以关注，将其作为后续研究工作的重点。能源的存储和转换等领域的发展能够为缓解能源环境问题提供有益支持，可见ALD技术有着广阔的发展前景。